WO1995027822A1 - Garniture pour raffineur - Google Patents

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WO1995027822A1
WO1995027822A1 PCT/FR1995/000452 FR9500452W WO9527822A1 WO 1995027822 A1 WO1995027822 A1 WO 1995027822A1 FR 9500452 W FR9500452 W FR 9500452W WO 9527822 A1 WO9527822 A1 WO 9527822A1
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WO
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Prior art keywords
coating
refining
refiner
lining
core
Prior art date
Application number
PCT/FR1995/000452
Other languages
English (en)
Inventor
Yves Garnier
Guy Caucal
Original Assignee
Arte
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to US08/721,992 priority patent/US5836525A/en
Priority to DE69504490T priority patent/DE69504490T2/de
Priority to JP7526127A priority patent/JPH10506686A/ja
Priority to EP95916728A priority patent/EP0754259B1/fr
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Priority to FI964013A priority patent/FI108868B/fi

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Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21D—TREATMENT OF THE MATERIALS BEFORE PASSING TO THE PAPER-MAKING MACHINE
    • D21D1/00—Methods of beating or refining; Beaters of the Hollander type
    • D21D1/20—Methods of refining
    • D21D1/30—Disc mills
    • D21D1/306—Discs

Definitions

  • the invention relates to a filling for a pulp refiner such as a pulp refiner, a refiner comprising at least one such filling, a process for preparing this filling and a refining process in which at least one such filling is used. .
  • Pulp refiners are equipped with a rotor and a stator between which the raw material is defibrated and fibrillated.
  • refiners There are two main categories of refiners: disc refiners and conical refiners.
  • Disc refiners generally include one or more rotors and one or more stators, each consisting of a support disc on which is mounted another disc called a refining disc, the role of which is both to protect the support disc from erosion by the raw material to be refined and to participate in the refining of the latter.
  • the raw material can be introduced through the center of at least one of the refining discs into the space between the two refining discs and flow towards their periphery. It can also be introduced at the periphery of the discs and come out through the center of the discs.
  • the pulp undergoes a treatment which significantly modifies the physical properties of the fibers contained in the pulp and then allows the paper made from the treated pulp to have the necessary characteristics. for the use for which it is intended.
  • the refining discs as illustrated by FIGS. 1 and 2, generally have a fixing face 1 on the refiner and a working face 2 comprising an alternation of grooves 3 and projections called blades 4.
  • the active surface 5 of these blades 4 gradually wears out during refining, so that the refiner must be periodically stopped and the refining discs replaced.
  • the conical refiners generally comprise a rotor 7 shown in Figures 4, and 5 of conical or frustoconical shape, and a stator 8, shown in Figures 6 and 7, also of conical or frustoconical shape.
  • Cones or trunks of refined cone 9 and Î.0 are mounted, respectively, on the outer surface 11 of the rotor 7 and on the inner surface 12 of the stator 8.
  • These cones or trunks of refined cone 9,10 can be composed , respectively, of segments 13,14. They have an alternation of grooves and blades (not shown) and they play the same role as the refining discs mentioned above.
  • the raw material is introduced between the stator and the rotor of the refiner, at the top of the cone or truncated cone constituting the rotor and comes out at the base of this same cone or truncated cone .
  • the refining discs or cones must resist wear, they are generally made of a metal or a metal alloy having a high hardness.
  • the research currently carried out relates to the modification of the geometry of their working face and to the nature of the metal or the metal alloy.
  • international application No. WO 90/04673 proposes a process for manufacturing fiber pulp in which a starting material containing lignocellulose is defibrated and fibrillized between the blades of two grinding discs facing each other, and according to which, to improve refining, the blades were tilted at an angle of 5 to 30 degrees relative to the radius of the discs on which these blades are located.
  • this process does not yet sufficiently improve the quality of the dough obtained.
  • the applicant noted that the quality of the refining was limited by the nature of the material constituting the discs, that is to say by the metal or the metal alloy, and that to improve the refining of the dough , it would be interesting to be able to get rid of the use of metallic active surfaces.
  • This lining has a fixing face on the refiner, a working face, at least one core of a rigid material, covered by a coating of a wear-resistant material, so that at least the active surface of the lining is formed by all or part of the outer surface of said coating and is distinguished from the linings of the prior art in that said coating consists of a superposition of thin layers or lamellae.
  • Such a lining has a higher wear resistance than the linings known up to now.
  • it may include a core made of an inexpensive rigid material, such as a recovery material.
  • the refined paste obtained has, for the same specific power consumed, an average length of fibers and a whiteness greater than that of the pasta obtained in a refiner provided with fillings according to the state. of technique.
  • Figures 1 and 2 schematically represent a refining disc according to the state of the art, respectively in front view and in side view in section along the axis A-A.
  • FIG. 3 schematically represents a second refining disc according to the state of the art.
  • Figures 4 and 5 schematically represent a conical refiner rotor equipped with refining cones according to the prior art, respectively in front view in cross section along the axis B-B and in right view.
  • Figures 6 and 7 schematically represent a conical refiner stator with refining cones according to the state of the art, respectively in front view in cross section along the axis C-C, and in left view.
  • Figures 8 and 9 show a packing according to the invention, respectively in front view and in bottom view.
  • Figure 10 shows schematically in section, the lining of Figures 8 and 9 in bottom view in section along D-D.
  • Figures 11 and 12 schematically show a first variant of the lining according to the invention, respectively in front view and in bottom view in section along the axis E-E.
  • Figure 13 shows schematically in section, a second variant of the lining according to the invention.
  • Figure 14 shows schematically in section, a third variant of the lining according to the invention.
  • Figures 15 and 16 schematically represent a fourth variant of the lining according to the invention, respectively in front view and in bottom view in section along the axis F-F.
  • Figure 17 shows schematically in section, a fifth variant of the lining according to the invention.
  • Figure 18 shows schematically in section, a sixth variant of the lining according to the invention.
  • Figures 19 and 20 schematically show a seventh variant of the lining according to the invention, respectively in front view and in bottom view in section along the axis GG.
  • Figure 21 shows schematically in section, an eighth variant of the lining according to the invention.
  • FIG. 22 schematically represents in perspective a packing according to the invention intended to be mounted on a conical refiner rotor block.
  • FIG. 23 shows schematically in perspective a packing according to the invention intended to be mounted on a stator block of conical refiner.
  • FIG. 24 represents the weighted length curve of the fibers of a raw material before refining.
  • FIG. 25 represents the weighted length curve of the fibers of a pulp obtained after refining with the discs according to the prior art.
  • FIG. 26 represents the weighted length curve of the fibers of a pulp obtained after refining with fillings according to the invention.
  • FIG. 27 represents another curve of weighted length of the fibers of a pulp obtained after refining with fillings according to the invention.
  • the fixing face and the working face of a filling according to the invention are, respectively, the face intended to be fixed against the disc or cone support of the refiner, and the face intervening directly during the refining of the dough.
  • active surface is meant in the description of the invention, only the surface of the filling furthest from the fixing face and against which the dough will be refined (fibrillated).
  • the active surface can occupy the entire working face of the lining: this is the case, in particular, when the working face is flat.
  • the active surface can also represent only part of the working face, for example, when the latter has places, such as grooves, where the dough is not fibrillated.
  • the active surface of a lining according to the invention always consists of all or part of the external surface of the coating.
  • exterior surface of the coating is meant the surface which is opposite to the surface of the coating in contact with the core.
  • the outer surface of the coating therefore always includes at least the active surface of the lining.
  • the active surface is always constituted by the material resistant to wear and tear of the coating.
  • the extent of the external surface of the coating may not be limited to the active surface of the lining.
  • the coating is only present on the working face which it therefore occupies at least in part.
  • This coating is preferably continuous and of uniform thickness over the entire active surface. Its thickness is generally between 0.1 and 2 mm, preferably between 0.5 and 0.8 mm.
  • the rigid material from which the core of the packing is made is a material having mechanical properties, in particular of resistance to compression, allowing it not to break, when the rotor and the stator are brought closer to each other , and not to tear off and be carried away by the flow of the raw material being refined. It may be a metal, a metal alloy, cast iron, a plastic material having good mechanical characteristics, in particular sufficient shear strength, such as so-called "high performance" plastics, among which polyamides 4-6 may be mentioned, imide polyamides, or technical polymers such as polyamide 6-6.
  • the rigid material can also be a composite material such as epoxy / carbon fibers, epoxy / glass fibers, or vinyl ester / carbon fibers.
  • the choice of rigid material is also a function of its resistance to the method chosen for applying the coating.
  • An advantage of the lining according to the invention is that the rigid material can be an inexpensive recovery material such as a recovery metal or metal alloy or a plastic material produced from recycled polymers having the mechanical characteristics mentioned above.
  • the seals according to the invention can comprise a core made of '' a material little resistant to wear, because the core does not have an active surface and is not intended to resist wear.
  • the wear-resistant material constituting the coating is preferably a different material from that of which the core is made. It must be able to adhere to the latter in a sufficiently firm manner so as not to be torn off and carried away by the flow of raw material during refining.
  • It can be a pure metal such as molybdenum (Mo), nickel (Ni), aluminum (Al), copper (Cu), tantalum (Ta) or titanium (Ti), a metal alloy such as nickel-chromium (NiCr), nickel-chromium-aluminum-yttrium (NiCrAlY), nickel-chromium-iron-boron-silicon (NiCrFeBSi), nickel-aluminum ( NiAl) or copper-aluminum (CuAl), a pseudo-alloy such as aluminum-molybdenum (Al-Mo) or copper-tungsten (Cu-W), a cermet such as WC-Co, Cr3C2- NiCr, WC-Ni and WC-NiCr, a ceramic such as alumina (A12O3), chromium oxide (Cr2 ⁇ 3), titanium oxide (TiO 2), zirconia (Z1O2) oxide zirconium and yttrium (
  • the coating is a mixture of these materials, or a superposition of layers made up of different materials chosen from these materials.
  • a ceramic in particular alumina, is used as coating.
  • porous coating improves the characteristics of the refined dough.
  • porous coating is meant a coating whose ratio of total pore volume / total volume of the coating is between 2% and 50%, preferably between 10% and 30%.
  • the porosity increases from the surface of the coating in contact with the core to the active surface.
  • Such a porosity gradient allows both good adhesion of the coating to the core and better refining of the dough.
  • the porosity can thus be zero in contact with the core and close to 50% at the level of the active surface.
  • the porosity is advantageously of the open type. Indeed, this seems to cause a capillary effect with respect to the water contained in the dough being refined and to modify in a beneficial way the circulation of the dough and its refining.
  • the coating may include a second material disposed between the wear-resistant material and the core, so as to cover the latter and protect it against corrosion by the raw material to be refined which could pass through the coating, if this coating is porous. This is particularly advantageous when, for example, the core is made of a metal or an oxidizable alloy.
  • Said second material is preferably in the form of a thin layer, of thickness between approximately 20 and approximately 200 microns (micrometers ⁇ m) and preferably between approximately 50 and approximately 100 microns, preferably extending at least over all the working face.
  • Said second material can be, for example, a nickel and chromium oxide. It turned out that the alloy composed of nickel, chromium, aluminum and yttrium (NiCrAlY), gave excellent protection against corrosion phenomena.
  • the packing according to the invention When the packing according to the invention is intended to be used in a disc refiner, it may have the shape of a ring or a washer like the refining rings or washers of the state of the art represented by the figure 1, or the shape of a disc segment like segments 6 in FIG. 3.
  • the lining according to the invention When the lining according to the invention is intended to be mounted on a conical refiner, it may have a shape of a cone or of a truncated cone or a shape of a segment of a cone or of a truncated cone, such as those illustrated in FIGS. 22 and 23.
  • the lining according to the invention as illustrated in FIGS. 8 and 9, comprises a core 15 made of a rigid material comprising a fixing face 16 on the refiner and a working face 17 at least essentially planar. As the working face 17 of the lining is planar, the active surface 18 of the lining extends over the entire working face 17.
  • a coating 19 made of a wear-resistant material covers said core 15, so that at least the entire active surface 18 of the lining is made of wear-resistant material. Thus, the fibrillation action of the dough is only carried out on the wear-resistant material and not on the core 15.
  • the coating 20 consists of at least two thin layers or lamellae 21 arranged one on top of the other, preferably at least essentially parallel. These strips 21 allow a more uniform wear of the coating 20 and thus contribute to the constancy of the refining conditions. Preferably, the number of strips 21 is as high as possible that the technique used to produce the coating makes it possible to produce. Tests have shown that when the coating consists of only one layer, it could be easily torn off when the rotor was brought closer to the stator. The slats give the coating a special wear capacity which allows the linings to adapt to the refiner. In the case of a disc refiner, for example, the discs are never in practice perfectly parallel.
  • the linings according to the invention can exhibit two types of wear resistance:
  • the working face 22 of the lining is provided with one or more grooves 23 alternating with one or more blades 24.
  • Said grooves 23 are intended to facilitate the flow of the dough. They can be of any section. They can in particular have a rectangular section like those which one meets on the refining discs of the trade. They are present in the coating 25 which extends over the entire working face 22.
  • the active surface of the lining is then the sum of the surfaces of all the vertices 26 of the blades 24. The area of the active surface is therefore less to the area of the working face 22.
  • the geometry of the blades 24 and grooves 23 can be chosen as a function of the specific type of treatment which it is desired to subject to the material to be refined.
  • the geometry / material pair of said coating 25 can be optimized for each specific treatment of the material to be refined.
  • the grooves 27 are present in the core 28 and the coating 29 covers only the tops 30 of the blades 31.
  • the rigid material constituting the core 28 is a material having a fairly good resistance to wear, such as "Ni-hard” type cast iron or chrome steels. The latter also have the advantage of having good corrosion resistance.
  • the grooves 32 are present in the core 33 and the coating 34 occupies the entire working face 35.
  • the coating 34 preferably matches all the shapes of the core 33. It is therefore disposed both on the tops 36 of the blades 37 and in their bottoms 38.
  • Its thickness is preferably uniform on all the vertices 36.
  • the coating 34 can also be composed of several parts each made of a different material.
  • first material is then chosen from materials having a high resistance to wear and / or good tribological properties such as alumina and said second material is chosen from materials having high abrasiveness such as carbide tungsten and / or high corrosion resistance.
  • one or more obstacles 39 are arranged in one or more grooves 40, so as to produce one or more constrictions and to disturb the circulation of the dough by creating micro-vortices to the interior of the grooves 40, which has the effect of forcing the material to be refined to pass between the active surfaces of the rotor and the stator. The quality of the refining is then improved.
  • Said obstacles 39 can be arranged randomly or in groups of two and located one opposite the other, respectively on the walls 41 and 42 of the grooves 40.
  • the obstacles located on the wall 41 can also be offset from those located on the wall 42.
  • the obstacles are preferably made of the same material as the covering 43 with which they are integral. Since the covering 43 covers the entire working face 44 according to this fifth variant, the obstacles 39 are therefore placed both in the grooves 40 and on the covering 43.
  • the coating 43 comprises a first material for the active surface and a second material in the grooves 40, the obstacles 39 are preferably made of said second material.
  • the obstacles 45 are arranged in the bottoms or on the walls of the grooves 46. As the covering 47 covers only the tops 48 of the blades 49, the obstacles 45 are therefore in contact and adhere to the core 50. They can also be part of the core 50 and therefore be made of the same material as this core 50.
  • the core 51 is provided with grooves 52.
  • the covering 53 covers the entire working face 54.
  • the obstacles 55 are therefore fixed against the covering 53 or form part of the latter which follows preferably all the shapes of the core 51 and preferably has a uniform thickness over the entire working face 54.
  • Figures 19 and 20 show a seventh advantageous variant of the lining according to the invention, in which the grooves 56 have an almost circular section.
  • Such linings thus have a high active surface (constituted by the sum of the surfaces of the tops 57 covered by the coating 58), while having grooves 56 which can contain a large volume of dough during refining.
  • FIG. 21 represents an eighth advantageous variant of the lining according to the invention, in which the covering 59 covers the entire working face and the grooves 60 have a dovetail shape, which constitutes another way of achieving a high active surface while having grooves 60 with large volume.
  • the lining according to the invention has grooves, it can be envisaged for these grooves a variable depth.
  • the latter may, for example, be weak at one end (for example, the periphery for an annular lining), and increase, preferably regularly, to become significant at the other end (the center, for an annular seal), or vice versa.
  • the choice between an increase in depth towards one end, or an increase towards the other end, will then depend on the characteristics of operation of the refiner, in particular, the direction imposed on the circulation of the dough in the refiner.
  • Figures 22 and 23 show seals according to the invention intended to be implemented respectively on the rotor and on the stator of a conical refiner. During the operation of the latter, the raw material is fibrillated between the coatings 61 and 62 of the linings which are pressed against each other.
  • the packing according to the invention and its variants are intended to be fixed, in a known manner, to the rotor block or to the stator block of a refiner. This is why they may include one or more holes (not shown), passing through the core and possibly the coating by connecting the working face to the fixing face, and intended for the passage of fixing screws on the rotor block or the refiner stator block.
  • the linings according to the invention can advantageously be prepared from a core of a rigid material which is covered at least partially with the aid of a wear-resistant coating, in such a way as to minus the active surface of the lining is formed by all or part of the external surface of said coating.
  • the recovery is carried out according to any process making it possible to deposit a hard coating on a substrate, such as, for example, the process called "laser-cladding", the process of plasma deposition by thermal spraying, the process of deposition by induction plasma, or the CVD (Chemical Vapor Deposition) plasma deposition process.
  • the core is preferably provided with grooves which can be made by machining in a flat core, or else provided during the molding of the core, in the case in particular where it turns out to be more economical to manufacture the latter by molding.
  • the core may advantageously be a disc or a segment of a commercial refining disc, or a cone, a truncated cone or a segment of a cone or truncated cone of commercial refining. Then preferably apply the coating of wear-resistant material so that all forms of the disc, disc segment, cone, truncated cone or segment of cone or truncated cone of commerce are retained.
  • the coating can completely cover the core, that is to say both its working face as its fixing face or its side faces.
  • a lining according to the invention which leads to better refining than the disc, disc segment, cone, truncated cone or segment of cone or truncated cone of commerce.
  • the lining according to the invention thus obtained also has better wear resistance than the disc, disc segment, cone, truncated cone or segment of cone or truncated cone of commerce. In addition, it can be regenerated once worn.
  • the coating when the coating is present in the grooves (first, third, fourth, sixth and eighth variants), and if this coating is abrasive, the turbulent nature of the flow is increased, which results in better maintenance of the dough film between the rotor and the stator of the refiner, for better refining and better control of the entire refining operation.
  • the core with the coating of wear-resistant material by implementing the so-called plasma deposition process. Indeed, one thus obtains, when the core has grooves, a continuous coating and of uniform thickness and conforming well to all the shapes of the working face. In addition, since the grains forming the starting material have at least partially melted during the passage through the flame, the coating obtained is in a continuous, uniform form and of relatively high density.
  • the plasma deposition process proves to be particularly advantageous for producing a coating composed of a superposition or stacking of thin layers or lamellae.
  • this method makes it possible to deposit the coating in several passes, each time depositing a very small amount of the wear-resistant material, so as to obtain a coating consisting of a superposition of thin layers or lamellae. .
  • Such a coating then wears uniformly and has a surface having the maximum flatness throughout its wear.
  • the thickness of the slats can thus be between 0.003 and 0.100 mm. It is preferably between 0.005 and 0.025 mm.
  • Another advantage of the implementation of the plasma deposition process is that a sophisticated and expensive material can be used as a coating, because this process makes it possible to deposit thin layers of material, therefore a small amount of material, which does not not result in a significant increase in the cost of the lining.
  • Yet another advantage of the plasma deposition process is that the coating deposition can be carried out precisely. This process therefore lends itself well to the production of fittings according to the invention such as, for example, those corresponding to the second, fourth, fifth, sixth, seventh or to the eighth variant.
  • the starting material for the implementation of the plasma process generally has a particle size comprised between approximately 10 and approximately 80 microns ( ⁇ m) and preferably between approximately 30 and approximately 40 microns ( ⁇ ).
  • the obstacles shown in Figures 16, 17 and 18 can be arranged by the plasma process.
  • the lining according to the invention is fixed in a known manner, for example by means of screws, to the rotor block or the stator block of the refiner.
  • the Applicant has noticed that the implementation of the linings according to the invention makes it possible to keep a constant air gap during refining even when the refining power is very high, which has the advantage of leading to stable refining conditions and maintaining the quality of the refined dough over time.
  • the refined dough has a whiteness greater than that obtained with the fillings according to the state of the art.
  • the packing according to the invention can be fixed on the rotor block or on the stator block of the refiner. Preferably, it covers the entire working face of the rotor block or the stator block. Thus, the entire active surface of the block has a coating of wear-resistant material.
  • both the rotor and the stator of the refiner are provided with one or more seals according to the invention. It is even more preferable to cover the entire working face of the rotor block and the entire working face of the stator block with one or more seals according to the invention, so that the entire active surface of the refiner is made up of the material wear resistant. This gives a flow of the dough to be refined having maximum turbulence and optimal refining.
  • the linings according to the invention can be used for defibering and / or refining any material composed of fibers, such as pulp, and in particular, paper pulp whose dry matter concentration is less than 60 % and preferably less than 25%. They prove to be particularly effective when the paper pulp to be refined is an aqueous suspension whose concentration is between 3 and 8%.
  • the linings according to the invention make it possible to obtain better results, as regards the cutting of the fibers (less cutting phenomena), than the linings of the prior art. It is therefore advantageous to use them in the paper recycling industry. In fact, because they can be used to refine old paper, that is to say improve its quality, they make it possible to reduce the content of long (new) fibers in recycled paper. In addition, they improve the dispersion of "stickies", the impurities of the paper, which makes it possible to obtain a paper comprising fewer dark spots. Thus, thanks to the linings according to the invention, a reduction in the cost of recycling is obtained.
  • the linings according to the invention can be used to carry out refining operations on disc refiners which have hitherto been practically possible only on conical refiners, more particularly on wide angle conical refiners.
  • refining operations are those necessary for the preparation of special papers such as cigarette papers, tracing papers, etc., that is to say papers obtained from pulp of high Shopper-Riegler degree. (greater than 60 degrees).
  • the linings according to the invention can also be used for the defibration of any cellulosic material, such as wood waste, of so-called "annual" plants (bagasse, sorghum, alfa, ). Comparative tests
  • the discs according to the state of the art were 16 inch diameter crowns marketed by the company Black-Clawson, made of so-called "Ni-hard” cast iron having 10 sectors, blade tops of a width of about 5 , 5 mm, and grooves parallel to each other inside each sector, inclined by about 20 ° to the radius, of rectangular cross section, about 5.0 mm in width and about 6.0 mm depth.
  • the linings according to the invention were linings prepared by the plasma spraying deposition process, covering with a uniform or approximately uniform thickness of approximately 500 (microns) of alumina / titanium oxide 97/3 (AI2O3 97% -Ti ⁇ 2 3%) the entire working face of crowns identical to those described above.
  • the coating consisted of a superposition of 25 thin layers 20 ⁇ m thick each.
  • the porosity was of the open type and equal to 20% (measured according to the alcohol penetration test).
  • the refiner used was the Twin Midjet refiner marketed by the company
  • Black-Clawson comprising 4 support discs and working in duo-flow, that is to say that the 4 support discs are arranged parallel to each other and a part (half theoretically) of the raw material is refined between 2 refining discs from a first set and the other part between 2 refining discs from a second set.
  • the raw material was introduced in the center of the refining discs.
  • the refined dough stood out from the periphery of the discs.
  • the refiner was equipped with a 140 kW engine.
  • the nominal pulp circulation rate was 30 to 40 m ⁇ / h, the maximum flow being 60 m ⁇ / h.
  • the raw material had a concentration of 3% and consisted of so-called chemical pulp from softwoods of origin. Scandinavian.
  • FIG. 24 represents the weighted length curve of the fibers and of the elements making up the raw material.
  • the average fiber length measured by an optical sensor was 2.49 mm.
  • the mass percentage of the fibers as a function of their length is indicated above the curve.
  • - ⁇ .T. ' designates the farms obtained from refined dough in a refiner fitted with 4 commercial discs
  • LRQ is the breaking length calculated from the breaking force with joined jaws while LRQ is the breaking length according to AFNOR Q03004.
  • the column '° SR' indicates the Schopper-Riegler degree of the refined dough.
  • FIG. 25 represents the weighted length curve of the fibers and of the elements making up the dough after refining for 20 minutes with the discs according to the prior art, and with a useful power of 40 kW.
  • the average fiber length was 1.55 mm.
  • FIG. 26 represents the weighted length curve of the fibers and of the elements making up the dough after refining for 20 minutes with the fillings according to the invention, also with a power of 40 kW.
  • the average fiber length was 2.66 mm.
  • FIG. 27 represents the weighted length curve of the fibers and of the elements making up the dough after refining for 25 minutes with the fillings according to the invention, with a power of 60 kW.
  • the average fiber length was 2.18 mm.

Abstract

L'invention concerne une garniture pour raffineur de pâte tel qu'un raffineur de pâte à papier. Cette garniture comporte une face de fixation (16) sur le raffineur, une face de travail (17, 22), au moins une âme (15, 28, 33, 50, 51) en un matériau rigide, recouverte par un revêtement (19, 20, 25) en un matériau résistant à l'usure d'une manière telle qu'au moins la surface active (18) de la garniture soit constituée par tout ou partie de la surface extérieure dudit revêtement (19, 20, 25) et se distingue en ce que ledit revêtement (19, 20, 25) est constitué d'une superposition de couches minces ou lamelles (21). L'invention concerne également un raffineur comprenant au moins une telle garniture, un procédé de préparation de cette garniture et un procédé de défibrage et/ou de raffinage dans lequel on utilise au moins une telle garniture.

Description

GARNITURE POUR RAFFINEUR
L'invention concerne une garniture pour raffineur de pâte tels qu'un raffineur de pâte à papier, un raffineur comprenant au moins une telle garniture, un procédé de préparation de cette garniture et un procédé de raffinage dans lequel on utilise au moins une telle garniture.
ETAT DE LA TECHNIQUE
π est connu d'effectuer le raffinage des pâtes telles que les pâtes à papier par passage dans un raffineur. Les raffineurs de pâte à papier sont munis d'un rotor et d'un stator entre lesquels la matière brute est défibrée et fibrillée. Il existe deux catégories principales de raffineurs : les raffineurs à disques et les raffineurs coniques.
Les raffineurs à disques comprennent généralement un ou plusieurs rotors et un ou plusieurs stators constitués chacun d'un disque support sur lequel est monté un autre disque appelé disque de raffinage, dont le rôle est, à la fois, de protéger le disque support de l'érosion par la matière brute à raffiner et de participer au raffinage de cette dernière.
Lors du raffinage, la matière brute peut être introduite par le centre d'au moins un des disques de raffinage, dans l'espace situé entre les deux disques de raffinage et s'écouler vers leur périphérie. Elle peut également être introduite au niveau de la périphérie des disques et ressortir par le centre des disques. Au cours de l'une ou l'autre de ces circulations, la pâte subit un traitement qui modifie de façon importante les propriétés physiques des fibres contenues dans la pâte et permet ensuite au papier fabriqué à partir de la pâte traitée de posséder les caractéristiques nécessaires à l'usage auquel il est destiné.
Les disques de raffinage, comme illustré par les figures 1 et 2, comportent généralement une face de fixation 1 sur le raffineur et une face de travail 2 comprenant une alternance de rainures 3 et de saillies appelées lames 4. La surface active 5 de ces lames 4 s'use progressivement lors du raffinage, de sorte qu'il faut périodiquement arrêter le raffineur et remplacer les disques de raffinage.
On utilise actuellement comme disques de raffinage, soit des disques qui présentent une forme annulaire complète et qui sont coulés en une seule pièce, comme un élément en forme de tore (figure 1), soit des disques, illustrés par la figure 3, composés de plusieurs segments 6 et qui forment ensemble un anneau. Les raffineurs coniques comprennent généralement un rotor 7 représenté sur les figures 4, et 5 de forme conique ou tronconique, et un stator 8, représenté sur les figures 6 et 7, également de forme conique ou tronconique. Des cônes ou troncs de cône de raffinage 9 et Î.0 sont montés, respectivement, sur la surface extérieure 11 du rotor 7 et sur la surface intérieure 12 du stator 8. Ces cônes ou troncs de cône de raffinage 9,10 peuvent être composés, respectivement, de segments 13,14. Ds comportent une alternance de rainures et de lames (non représentées) et ils jouent le même rôle que les disques de raffinage évoqués plus haut.
Lors du raffinage dans un raffineur conique, la matière brute est introduite entre le stator et le rotor du raffineur, au niveau du sommet du cône ou tronc de cône constituant le rotor et ressort au niveau de la base de ce même cône ou tronc de cône. Etant donné que les disques ou cônes de raffinage doivent résister à l'usure, ils sont généralement constitués d'un métal ou d'un alliage métallique présentant une dureté élevée. Afin d'améliorer l'efficacité du raffinage de la pâte à papier réalisé à l'aide de tels disques ou cônes métalliques, les recherches effectuées actuellement portent sur la modification de la géométrie de leur face de travail et sur la nature du métal ou de l'alliage métalique.
Ainsi, la demande internationale n° WO 90/04673 propose un procédé de fabrication de pâte de fibres dans lequel un matériau de départ contenant de la lignocellulose est défibré et fibrillisé entre les lames de deux disques de broyage se faisant face, et selon lequel, pour améliorer le raffinage, on a incliné les lames d'un angle de 5 à 30 degrés par rapport au rayon des disques sur lesquelles ces lames sont situées. Toutefois ce procédé ne permet pas encore d'améliorer suffisamment la qualité de la pâte obtenue.
Lors de ses recherches, la demanderesse a constaté que la qualité du raffinage était limitée par la nature du matériau constituant les disques, c'est-à-dire par le métal ou l'alliage métallique, et que pour améliorer le raffinage de la pâte, il serait intéressant de pouvoir s'affranchir du recours à des surfaces actives métalliques.
En effet, lors du raffinage à l'aide de disques métalliques il se produit entre le disque du rotor et le disque du stator, des chocs au cours desquels des particules dé métal sont arrachées aux lames du disque. Il s'ensuit que la surface active 5 des lames
4 devient très irréguliere et réduit la fibrillation des fibres de papier, ce qui diminue la qualité du raffinage.
De plus, du fait que les disques métalliques s'usent rapidement, la qualité de la pâte raffinée n'est pas constante dans le temps et les arrêts du raffineur, nécessaires pour remplacer les disques usés par des disques métalliques neufs, sont fréquents. Les disques usés ne pouvant pas être régénérés, ils doivent donc être jetés.
H n'existe donc pas dans l'état de la technique, de possibilité de raffinage qui permette d'obtenir une qualité élevée et constante de la pâte raffinée, et qui diminue la fréquence des arrêts du raffineur nécessaires au changement des disques de raffinage. Il n'existe pas non plus de disque de raffinage présentant une résistance élevée à l'usure, un caractère régénérable avec un coût de régénération acceptable.
EXPOSE SOMMAIRE DE L'INVENTION
La demanderesse, en effectuant ses recherches dans une nouvelle direction, est parvenue à mettre au point une garniture palliant les inconvénients liés aux disques métalliques de l'état de la technique. Cette garniture comporte une face de fixation sur le raffineur, une face de travail, au moins une âme en un matériau rigide, recouverte par un revêtement en un matériau résistant à l'usure, de telle façon qu'au moins la surface active de la garniture soit constituée par tout ou partie de la surface extérieure dudit revêtement et se distingue des garnitures de l'état de la technique en ce que ledit revêtement est constitué d'une superposition de couches minces ou lamelles. Une telle garniture présente une résistance à l'usure supérieure aux garnitures connues jusqu'à présent.
De plus, elle peut comprendre une âme constituée d'un matériau rigide peu coûteux, tel qu'un matériau de récupération.
En outre, elle peut, une fois le revêtement usé, être à nouveau régénérée par application d'un nouveau revêtement.
Par ailleurs, lors de sa mise en oeuvre dans un raffineur, la pâte raffinée obtenue présente, pour une même puissance spécifique consommée, une longueur moyenne de fibres et une blancheur supérieures à celle des pâtes obtenues dans un raffineur pourvu de garnitures selon l'état de la technique. On observe également une réduction du bruit lors du raffinage et une plus grande stabilité de l'entrefer (distance entre le rotor et le stator) du raffineur, ce qui se traduit par une plus grande régularité dans les propriétés de la pâte raffinée.
D'autres avantages procurés par la garniture selon l'invention et sa mise en oeuvre apparaîtront à la lecture de l'exposé détaillé qui suit, ainsi qu'à l'examen des figures 8 à 27, données simplement à titre illustratif. DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES
Les figures 1 et 2 représentent schématiquement un disque de raffinage selon l'état de la technique, respectivement en vue de face et en vue de côté en section selon l'axe A-A.
La figure 3 représente schématiquement un second disque de raffinage selon l'état de la technique.
Les figures 4 et 5 représentent schématiquement un rotor de raffineur conique équipé de cônes de raffinage selon l'état de la technique, respectivement en vue de face en section transversale selon l'axe B-B et en vue de droite.
Les figures 6 et 7 représentent schématiquement un stator de raffineur conique épuipé de cônes de raffinage selon l'état de la technique, respectivement en vue de face en section transversale selon l'axe C-C, et en vue de gauche.
Les figures 8 et 9 représentent une garniture selon l'invention, respectivement en vue de face et en vue de dessous.
La figure 10 représente schématiquement en section, la garniture des figures 8 et 9 en vue de dessous en section selon D-D.
Les figures 11 et 12 représentent schématiquement une première variante de la garniture selon l'invention, respectivement en vue de face et en vue de dessous en section selon l'axe E-E.
La figure 13 représente schématiquement en section, une deuxième variante de la garniture selon l'invention.
La figure 14 représente schématiquement en section, une troisième variante de la garniture selon l'invention. Les figures 15 et 16 représentent schématiquement une quatrième variante de la garniture selon l'invention, respectivement en vue de face et en vue de dessous en section selon l'axe F-F.
La figure 17 représente schématiquement en section, une cinquième variante de la garniture selon l'invention. La figure 18 représente schématiquement en section, une sixième variante de la garniture selon l'invention.
Les figures 19 et 20 représentent schématiquement une septième variante de la garniture selon l'invention, respectivement en vue de face et en vue de dessous en section selon l'axe G-G. La figure 21 représente schématiquement en section, une huitième variante de la garniture selon l'invention. La figure 22 représente schématiquement en perpective une garniture selon l'invention destinée à être montée sur un bloc rotor de raffineur conique.
La figure 23 représente schématiquement en perspective une garniture selon l'invention destinée à être montée sur un bloc stator de raffineur conique. La figure 24 représente la courbe de longueur pondérée des fibres d'une matière brute avant raffinage.
La figure 25 représente la courbe de longueur pondérée des fibres d'une pâte obtenue après raffinage avec les disques selon l'état de la technique.
La figure 26 représente la courbe de longueur pondérée des fibres d'une pâte obtenue après raffinage avec des garnitures selon l'invention.
La figure 27 représente une autre courbe de longueur pondérée des fibres d'une pâte obtenue après raffinage avec des garnitures selon l'invention.
Par souci de clarté, les figures 9, 10, 12, 13, 14, 16, 17, 18, 20 et 21 quoique représentant des sections, n'ont pas été hachurées.
EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION
La face de fixation et la face de travail d'une garniture selon l'invention sont, respectivement, la face destinée à être fixée contre le disque ou cône support du raffineur, et la face intervenant directement lors du raffinage de la pâte.
Ces faces sont de préférence parallèles lorsque la garniture est destinée à être utilisée sur un raffineur à disques, et concentriques lorsque la garniture est destinée à être mise en oeuvre sur un raffineur conique. Par surface active, on entend dans la description de l'invention, uniquement la surface de la garniture la plus éloignée de la face de fixation et contre laquelle la pâte va être raffinée (fibrillée). La surface active peut occuper toute la face de travail de la garniture : c'est le cas, notamment, lorsque la face de travail est plane. La surface active peut aussi ne représenter qu'une partie de la face de travail, par exemple, lorsque cette dernière comporte des endroits, tels que des rainures, où la pâte n'est pas fibrillée.
La surface active d*une garniture selon l'invention est toujours constituée par tout ou partie de la surface extérieure du revêtement.
Par surface extérieure du revêtement, on entend la surface qui est opposée à la surface du revêtement en contact avec l'âme. Selon l'invention, la surface extérieure du revêtement englobe donc toujours au moins la surface active de la garniture. En d'autres termes, la surface active est toujours constituée par le matériau résistant à l'usure dont est fait le revêtement. Par contre, l'étendue de la surface extérieure du revêtement peut ne pas être limitée à la surface active de la garniture.
En règle générale, mais ce n'est pas une obligation, le revêtement n'est présent que sur la face de travail qu'il occupe donc au moins en partie. Ce revêtement est de préférence continu et d'épaisseur uniforme au niveau de toute la surface active. Son épaisseur est généralement comprise entre 0,1 et 2 mm, de préférence entre 0,5 et 0,8 mm.
Le matériau rigide dont est faite l'âme de la garniture est un matériau ayant des propriétés mécaniques, notamment de résistance à la compression, lui permettant de ne pas se briser, lorsque le rotor et le stator sont rapprochés l'un de l'autre, et de ne pas s'arracher et être emporté par le flux de la matière brute en cours de raffinage. Ce peut être un métal, un alliage métallique, de la fonte, un matériau plastique ayant de bonnes caractéristiques mécaniques, notamment une résistance au cisaillement suffisante, tel que les plastiques dits "haute performance" parmi lesquels on peut citer les polyamides 4-6, les polyamides imides, ou les polymères techniques comme le polyamide 6-6. Le matériau rigide peut également être un matériau composite tel que les époxy/fibres de carbone, les époxy/fibres de verre, ou les vinyl-ester/fibres de carbone. Il va de soi que le choix de matériau rigide est également fonction de sa résistance vis-à-vis du procédé choisi pour appliquer le revêtement. Un avantage de la garniture selon l'invention est que le matériau rigide peut être un matériau de récupération peu coûteux tel qu'un métal ou alliage métallique de récupération ou une matière plastique élaborée à partir de polymères recyclés présentant les caractéristiques mécaniques évoquées précédemment. En effet, contrairement aux garnitures de l'état de la technique qui doivent obligatoirement être fabriquées avec des métaux présentant une grande résistance à l'usure tels que l'acier ou la fonte, les garnitures selon l'invention peuvent comprendre une âme constituée d'un matériau peu résistant à l'usure, car l'âme ne possède pas de surface active et n'a pas pour but de résister à l'usure.
De plus, il est possible de choisir comme matériau rigide, un matériau présentant une résilience (résistance aux chocs) élevée et comme revêtement, un matériau peu résilient mais ayant une dureté élevée. La garniture obtenue est alors peu fragile tout en étant très performante.
Le matériau résistant à l'usure constituant le revêtement est de préférence un matériau différent de celui dont est faite l'âme. Il doit pouvoir adhérer sur cette dernière de manière suffisamment ferme pour ne pas être arraché et emporté par le flux de matière brute lors du raffinage. Ce peut être un métal pur tel que le molybdène (Mo), le nickel (Ni), l'aluminium (Al), le cuivre (Cu), le tantale (Ta) ou le titane (Ti), un alliage métallique tel que le nickel-chrome (NiCr), le nickel-chrome- aluminium-yttrium (NiCrAlY), le nickel-chrome-fer-bore-silicium (NiCrFeBSi), le nickel-aluminium (NiAl) ou le cuivre-aluminium (CuAl), un pseudo-alliage tel que l'aluminium-molybdènë (Al-Mo) ou le cuivre-tungstène (Cu-W), un cermet tel que le WC-Co, le Cr3C2-NiCr, le WC-Ni ou le WC-NiCr, une céramique telle que l'alumine (A12O3), l'oxyde de chrome (Cr2θ3), l'oxyde de titane (Tiθ2), la zircone (Z1O2), l'oxyde de zirconium et d'yttrium (Zrθ2 Y2θ3), l'oxyde d'yttrium, de barium et de cuivre (YjBa2Cu3θ7) ou la silice (Siθ2), un minéral tel que l'apatite, un carbure tel que le carbure de tungstène, de titane, de bore ou de silicium, ou un carbone adamantin.
On peut également prévoir que le revêtement soit un mélange de ces matériaux, ou une superposition de couches constituées de matériaux différents choisis parmi ces matériaux.
De préférence, on utilise comme revêtement une céramique, en particulier l'alumine.
Il est préférable de mettre en oeuvre un revêtement poreux. On améliore ainsi les caractéristiques de la pâte raffinée. Par revêtement poreux, il faut entendre un revêtement dont le rapport volume total des pores/volume total du revêtement est compris entre 2% et 50%, de préférence entre 10% et 30%. La demanderesse a, en effet, été surprise de découvrir qu'il est possible d'utiliser pour le revêtement un matériau ayant une porosité élevée, car généralement, lorsqu'on cherche à augmenter la résistance à l'usure d'un élément, on le revêt d'une couche d'un matériau ayant la porosité la plus basse possible.
Il est en outre souhaitable que la porosité augmente depuis la surface du revêtement en contact avec l'âme jusqu'à la surface active. Un tel gradient de porosité permet à la fois une bonne adhérence du revêtement sur l'âme et un meilleur raffinage de la pâte. La porosité peut ainsi être nulle au contact de l'âme et voisine de 50% au niveau de la surface active.
La porosité est avantageusement du type ouverte. En effet, ceci semble provoquer un effet de capillarité vis-à-vis de l'eau contenue dans la pâte en cours de raffinage et modifier de façon bénéfique la circulation de la pâte et son raffinage.
Il s'avère avantageux d'utiliser comme revêtement un matériau possédant de bonnes caractéristiques tribologiques et/ou une abrasivité élevée vis-à-vis de la matière à raffiner.
Le revêtement peut comprendre un second matériau disposé entre le matériau résistant à l'usure et l'âme, de façon à recouvrir cette dernière et à la protéger contre la corrosion par la matière brute à raffiner qui pourrait passer à travers le revêtement, si ce revêtement est poreux. Ceci se révèle particulièrement avantageux lorsque, par exemple, l'âme est faite d'un métal ou d'un alliage oxydable.
Ledit second matériau se présente de préférence sous la forme d'une couche mince, d'épaisseur comprise entre environ 20 et environ 200 microns (micromètres μm) et préférentiellement entre environ 50 et environ 100 microns, s'étendant de préférence au moins sur toute la face de travail. Le choix de ce second matériau dépend des conditions physico-chimiques dans lesquelles la garniture sera amenée à travailler. Ledit second matériau peut être, par exemple, un oxyde de nickel et de chrome. Il s'est avéré que l'alliage composé de nickel, de chrome, d'aluminium et d'yttrium (NiCrAlY), conférait une excellente protection contre les phénomènes de corrosion.
Lorsque la garniture selon l'invention est destinée à être utilisée dans un raffineur à disques, elle peut avoir la forme d'un anneau ou d'une rondelle comme les anneaux ou rondelles de raffinage de l'état de la technique représentés par la figure 1, ou la forme d'un segment de disque comme les segments 6 de la figure 3.
Lorsque la garniture selon l'invention est prévue pour être montée sur un raffineur conique, elle peut présenter une forme de cône ou de tronc de cône ou une forme de segment de cône ou de tronc de cône, comme celles illustrées par les figures 22 et 23.
La garniture selon l'invention telle qu'illustrée par les figures 8 et 9, comprend une âme 15 en un matériau rigide comportant une face de fixation 16 sur le raffineur et une face de travail 17 au moins essentiellement plane. Comme la face de travail 17 de la garniture est plane, la surface active 18 de la garniture s'étend sur toute la face de travail 17.
Un revêtement 19 constitué d'un matériau résistant à l'usure recouvre ladite âme 15, de façon à ce qu'au moins toute la surface active 18 de la garniture soit constituée par du matériau résistant à l'usure. Ainsi, l'action de fibrillation de la pâte n'est effectuée que sur le matériau résistant à l'usure et non sur l'âme 15.
Comme cela est visible sur la figure 10, le revêtement 20 est constitué d'au moins deux couches minces ou lamelles 21 disposées les unes sur les autres, de préférence, de façon au moins essentiellement parallèle. Ces lamelles 21 permettent une usure plus uniforme du revêtement 20 et contribuent ainsi à la constance des conditions de raffinage. De préférence, le nombre de lamelles 21 est le plus élevé possible que la technique utilisée pour réaliser le revêtement permet de réaliser. Des essais ont en effet montré que lorsque le revêtement n'était constitué que d'une seule couche, il pouvait être facilement arraché lors du rapprochement du rotor par rapport au stator. Les lamelles confèrent au revêtement une capacité d'usure particulière qui permet aux garnitures de s'adapter au raffineur. Dans le cas d'un raffineur à disques, par exemple, les disques ne sont en pratique jamais parfaitement parallèles. Il s'ensuit que lorsque l'on réduit l'entrefer, il arrive que des contacts se produisent, à certains endroits, entre deux disques se faisant face. Si le revêtement est fait d'une seule couche épaisse, il est alors très souvent arraché. En revanche, si le revêtement est constitué de lamelles, seules les lamelles superficielles situées aux endroits où se sont produits les contacts sont arrachées et le raffinage peut ensuite se faire entre les lamelles restantes de chacun des disques.
Ainsi, les garnitures selon l'invention peuvent présenter deux types de résistance à l'usure :
- une résistance à l'usure élevée vis-à-vis de la pâte à raffiner, due à la nature du matériau constituant le revêtement, ce qui permet une usure lente et une utilisation de la garniture pendant de longues durées et
- une résistance à l'usure par choc faible qui permet de nombreux arrêts et redémarrages sans arrachement du revêtement.
Selon une première variante avantageuse représentée par les figures 11 et 12, la face de travail 22 de la garniture est munie d'une ou plusieurs rainures 23 alternant avec une ou plusieurs lames 24.
Lesdites rainures 23 sont destinées à faciliter l'écoulement de la pâte. Elles peuvent être de section quelconque. Elles peuvent notamment avoir une section rectangulaire comme celles que l'on rencontre sur les disques de raffinage du commerce. Elles sont présentes dans le revêtement 25 qui s'étend sur toute la face de travail 22. La surface active de la garniture est alors la somme des surfaces de tous les sommets 26 des lames 24. L'aire de la surface active est donc inférieure à l'aire de la face de travail 22. La géométrie des lames 24 et rainures 23 peut-être choisie en fonction du type de traitement spécifique que l'on veut faire subir à la matière à raffiner. Le couple géométrie/matériau dudit revêtement 25 peut être optimisé pour chaque traitement spécifique de la matière à raffiner.
Selon une deuxième variante avantageuse représentée par la figure 13, les rainures 27 sont présentes dans l'âme 28 et le revêtement 29 ne recouvre que les sommets 30 des lames 31. Il est, dans ce cas, préférable que le matériau rigide constituant l'âme 28 soit un matériau présentant une assez bonne résistance à l'usure, tel que la fonte du type "Ni-hard" ou les aciers au chrome. Ces derniers ont en outre l'avantage de présenter une bonne résistance à la corrosion.
Selon une troisième variante avantageuse représentée par la figure 14, les rainures 32 sont présentes dans l'âme 33 et le revêtement 34 occupe toute la face de travail 35. Le revêtement 34 épouse préférablement toutes les formes de l'âme 33. Il est donc disposé aussi bien sur les sommets 36 des lames 37 que dans leurs fonds 38.
Son épaisseur est de préférence uniforme sur tous les sommets 36.
Le revêtement 34 peut aussi être composé de plusieurs parties constituées chacune d'un matériau différent. Ainsi, il est possible de recouvrir les sommets 36 d'un premier matériau et les fonds 38 et les parois des rainures 32 d'un second matériau. De façon avantageuse, ledit premier matériau est alors choisi parmi les matériaux présentant un résistance élevée à l'usure et/ou de bonnes propriétés tribologiques tels que l'alumine et ledit second matériau est choisi parmi les matériaux présentant une abrasivité élevée tels que le carbure de tungstène et/ou une résistance élevée à la corrosion.
Selon une quatrième variante avantageuse représentée par les figures 15 et 16, un ou plusieurs obstacles 39 sont disposés dans une ou plusieurs rainures 40, de façon à réaliser un ou plusieurs étranglements et à perturber la circulation de la pâte en créant des micro- vortex à l'intérieur des rainures 40, ce qui a pour effet de forcer la matière devant être raffinée à passer entre les surfaces actives du rotor et du stator. La qualité du raffinage est alors améliorée.
La forme exacte desdits obstacles 39 importe peu dès lors qu'ils permettent de provoquer un écoulement du type turbulent de la pâte, π s'ensuit alors une augmentation du temps de résidence de la pâte entre le rotor et le stator du raffineur, ce qui améliore l'efficacité du raffinage et par conséquent, la qualité de la pâte obtenue.
Lesdits obstacles 39 peuvent être disposés aléatoirement ou par groupes de deux et situés l'un en face de l'autre, respectivement sur les parois 41 et 42 des rainures 40. Les obstacles situés sur la paroi 41 peuvent aussi être décalés par rapport à ceux situés sur la paroi 42 .
Les obstacles sont de préférence constitués du même matériau que le revêtement 43 avec lequel ils font corps. Le revêtement 43 recouvrant toute la face de travail 44 selon cette cinquième variante, les obstacles 39 sont donc disposés à la fois dans les rainures 40 et sur le revêtement 43. Lorsque le revêtement 43 comprend un premier matériau pour la surface active et un second matériau dans les rainures 40, les obstacles 39 sont de préférence constituées dudit second matériau.
Selon une cinquième variante avantageuse représentée par la figure 17, les obstacles 45 sont disposés dans les fonds ou sur les parois des rainures 46. Comme le revêtement 47 recouvre uniquement les sommets 48 des lames 49, les obstacles 45 sont donc en contact et adhèrent à l'âme 50. Us peuvent aussi faire partie de l'âme 50 et être par conséquent constitués du même matériau que cette âme 50.
Selon une sixième variante avantageuse représentée par la figure 18, l'âme 51 est munie de rainures 52. Le revêtement 53 recouvre toute la face de travail 54. Les obstacles 55 sont donc fixés contre le revêtement 53 ou font partie de ce dernier qui suit préférentiellement toutes les formes de l'âme 51 et présente de préférence une épaisseur uniforme sur toute la face de travail 54.
Les figures 19 et 20 représentent une septième variante avantageuse de la garniture selon l'invention, dans laquelle les rainures 56 ont une section quasi- circulaire. De telles garnitures ont ainsi une surface active élevée (constituée par la somme des surfaces des sommets 57 recouverts par le revêtement 58), tout en présentant des rainures 56 pouvant contenir un volume important de pâte lors du raffinage.
La figure 21 représente une huitième variante avantageuse de la garniture selon l'invention, dans laquelle le revêtement 59 recouvre toute la face de travail et les rainures 60 présentent une forme en queue d'aronde, ce qui constitue une autre manière de parvenir à une surface active élevée tout en ayant des rainures 60 à volume important.
Lorsque la garniture selon l'invention présente des rainures, il peut être envisagé pour ces rainures une profondeur variable. Cette dernière peut, par exemple, être faible au niveau d'une extrémité (par exemple, la périphérie pour une garniture annulaire), et s'accroître, de préférence régulièrement, pour devenir importante au niveau de l'autre extrémité (le centre, pour une garniture annulaire), ou vice-versa. Le choix entre une augmentation de la profondeur vers l'une des extrémités, ou une augmentation vers l'autre des extrémités, dépendra alors des caractéristiques de fonctionnement du raffineur, notamment, du sens imposé à la circulation de la pâte dans le raffineur.
Il peut se révéler avantageux de pratiquer ou prévoir, dans le revêtement et sur sa surface extérieure, des entailles de profondeur peu importante par rapport à l'épaisseur du revêtement, de façon à créer des arêtes et donner ainsi un caractère abrasif ou augmenter le caractère abrasif du revêtement.
Les figures 22 et 23 représentent des garnitures selon l'invention destinées à être mises en oeuvre respectivement sur le rotor et sur le stator d'un raffineur conique. Lors du fonctionnement de ce dernier, la matière brute est fibrillée entre les revêtements 61 et 62 des garnitures qui sont pressées l'une contre l'autre.
La garniture selon l'invention et ses variantes sont destinées à être fixées, de façon connue, sur le bloc rotor ou sur le bloc stator d'un raffineur. C'est pourquoi elles peuvent comporter un ou plusieurs trous (non représentés), traversant l'âme et éventuellement le revêtement en reliant la face de travail à la face de fixation, et destinés au passage de vis de fixation sur le bloc rotor ou le bloc stator du raffineur.
Préparation des garnitures selon l'invention :
Les garnitures selon l'invention peuvent avantageusement être préparées à partir d'une âme en un matériau rigide que l'on recouvre au moins partiellement à l'aide d'un revêtement résistant à l'usure, d'une manière telle qu'au moins la surface active de la garniture soit constituée par tout ou partie de la surface extérieure dudit revêtement.
Le recouvrement est effectué selon tout procédé permettant de déposer un revêtement dur sur un substrat, comme, par exemple, le procédé appelé "laser- cladding", le procédé de dépose plasma par projection thermique, le procédé de dépose par plasma à induction, ou le procédé de dépose plasma C.V.D. (Chemical Vapor Déposition). L'âme est préférentiellement munie de rainures qui peuvent être pratiquées par usinage dans une âme plane, ou bien prévues lors du moulage dé l'âme, dans le cas notamment où il s'avère plus économique de fabriquer cette dernière par moulage. L'âme peut avantageusement être un disque ou un segment de disque de raffinage du commerce, ou un cône, un tronc de cône ou un segment de cône ou de tronc de cône de raffinage du commerce. On applique alors préférablement le revêtement de matériau résistant à l'usure de manière à ce que toutes les formes du disque, segment de disque, cône, tronc de cône ou segment de cône ou de tronc de cône du commerce soient conservées.
Il va de soi que le revêtement peut recouvrir complètement l'âme, c'est-à-dire aussi bien sa face de travail que sa face de fixation ou ses faces latérales.
On dispose ainsi d'une garniture selon l'invention qui conduit à un meilleur raffinage que le disque, segment de disque, cône, tronc de cône ou segment de cône ou de tronc de cône du commerce. La garniture selon l'invention ainsi obtenue a également une meilleure résistance à l'usure que le disque, segment de disque, cône, tronc de cône ou segment de cône ou de tronc de cône du commerce. De plus, elle peut être régénérée une fois usée.
Par ailleurs, lorsque le revêtement est présent dans les rainures (première, troisième, quatrième, sixième et huitième variantes), et si ce revêtement est abrasif, on augmente le caractère turbulent de l'écoulement, ce qui se traduit par un meilleur maintien du film de pâte entre le rotor et le stator du raffineur, à un meilleur raffinage et à une meilleure conduite de l'ensemble de l'opération de raffinage.
Il est préférable de munir l'âme du revêtement en matériau résistant à l'usure en mettant en oeuvre le procédé dit de dépose plasma. En effet, on obtient ainsi, lorsque l'âme comporte des rainures, un revêtement continu et d'épaisseur uniforme et épousant bien toutes les formes de la face de travail. De plus, comme les grains formant le matériau de départ ont au moins partiellement fondu lors du passage dans la flamme, le revêtement obtenu se présente sous une forme continue, uniforme et de densité relativement élevée.
On évite ainsi également l'usinage difficile et coûteux de saillies dans le matériau résistant à l'usure.
Par ailleurs, la demanderesse a constaté, lors de ses essais, que malgré les forces importantes intervenant lors du raffinage, le revêtement déposé par le procédé plasma n'était pas arraché.
En outre, le procédé de dépose plasma se révèle particulièrement avantageux pour réaliser un revêtement composé d'une superposition ou empilement de couches minces ou lamelles. En effet, ce procédé permet d'effectuer le dépôt du revêtement en plusieurs passages, en déposant à chaque fois une quantité très faible du matériau résistant à l'usure, de façon à obtenir un revêtement constitué d'une superposition de couches minces ou lamelles. Un tel revêment s'use alors de façon uniforme et présente une surface ayant le maximum de planéité tout au long de son usure.
L'épaisseur des lamelles peut ainsi être comprise entre à 0,003 et 0,100 mm. Elle est de préférence comprise entre 0,005 et 0,025 mm. Un autre avantage de la mise en oeuvre du procédé de dépose plasma est qu'on peut utiliser comme revêtement un matériau sophistiqué et cher, car ce procédé permet de déposer des couches minces de matériau, donc une faible quantité de matériau, ce qui n'entraîne pas une augmentation importante du coût de revient de la garniture.
Un autre avantage encore du procédé de dépose plasma est que le dépôt de revêtement peut être effectué de manière précise. Ce procédé se prête donc bien à la réalisation de garnitures selon l'invention telles que, par exemple, celles correspondant à la deuxième, quatrième, cinquième, sixième, septième ou à la huitième variante.
Le matériau de départ pour la mise en oeuvre du procédé plasma présente généralement une granulométrie comprise entre environ 10 et environ 80 microns (μm) et de préférence entre environ 30 et environ 40 microns (μ ).
Les obstacles représentés sur les figures 16, 17 et 18 peuvent être disposés par le procédé plasma.
Pour obtenir une garniture dont la face de travail comporte des lames et des rainures et dont seuls les sommets des lames soient recouverts de revêtement, il est possible d'obstruer les rainures à l'aide de caches, de déposer le revêtement sur lesdits sommets puis de retirer les caches. Les parois des rainures sont alors dépourvues de revêtement.
Utilisation des garnitures selon l'invention ;
La garniture selon l'invention est fixée de façon connue, par exemple au moyen de vis, sur le bloc rotor ou le bloc stator du raffineur.
La demanderesse s'est aperçue que la mise en oeuvre des garnitures selon l'invention permet de garder un entrefer constant lors du raffinage même quand la puissance de raffinage est très élevée, ce qui a pour avantage de conduire à une stabilité des conditions de raffinage et à un maintien de la qualité de la pâte raffinée dans le temps.
De plus, la pâte raffinée est d'une blancheur supérieure à celle obtenue avec les garnitures selon l'état de la technique.
La garniture selon l'invention peut être fixée sur le bloc rotor ou sur le bloc stator du raffineur. De préférence, elle recouvre toute la face de travail du bloc rotor ou du bloc stator. Ainsi, toute la surface active du bloc présente un revêtement de matériau résistant à l'usure. Bien entendu, il est possible de disposer plusieurs garnitures de dimensions égales ou différentes sur le bloc rotor ou sur le bloc stator, notamment, si l'on souhaite recouvrir toute la face de travail du rotor ou stator et que les dimensions d'une seule garniture sont insuffisantes pour lui permettre d'occuper à elle seule toute la face de travail du bloc rotor ou du bloc stator.
Il est préférable de munir à la fois le rotor et le stator du raffineur d'une ou plusieurs garnitures selon l'invention. H est encore davantage préférable de recouvrir toute la face de travail du bloc rotor et toute la face de travail du bloc stator d'une ou plusieurs garnitures selon l'invention, de façon à ce que toute la surface active du raffineur soit constituée du matériau résistant à l'usure. On obtient alors un écoulement de la pâte à raffiner ayant une turbulence maximale et un raffinage optimal.
Les garnitures selon l'invention peuvent être mises en oeuvre en vue du défibrage et/ou du raffinage de tout matériau composé de fibres, telles que les pâtes, et en particulier, les pâtes à papier dont la concentration en matières sèches est inférieure à 60% et de préférence inférieure à 25%. Elles se révèlent particulièrement performantes lorsque la pâte à papier à raffiner est une suspension aqueuse dont la concentration est comprise entre 3 et 8%.
Les garnitures selon l'invention permettent d'obtenir de meilleurs résultats, en ce qui concerne la coupe des fibres (moins de phénomènes de coupe), que les garnitures de l'état de la technique. D est donc avantageux de les mettre en oeuvre dans l'industrie du recyclage du papier. En effet du fait qu'elles peuvent être utilisées pour raffiner des vieux papiers, c'est-à-dire améliorer leur qualité, elles rendent possible une diminution de la teneur en fibres longues (neuves) du papier recyclé. De plus, elles améliorent la dispersion des "stickies", les impuretés du papier, ce qui permet d'obtenir un papier comportant moins de tâches foncées. On obtient donc, grâce aux garnitures selon l'invention, un abaissement du coût du recyclage.
En outre, les garnitures selon l'invention peuvent être utilisées pour réaliser sur des raffineurs à disque des opérations de raffinage qui n'étaient jusqu'à présent pratiquement possibles que sur des raffineurs coniques, plus particulièrement sur des raffineurs coniques à grand angle. De telles opérations de raffinage sont celles nécessaires pour la préparation de papier spéciaux tels que les papiers pour cigarettes, les papiers calques, etc..., c'est-à-dire des papiers obtenus à partir de pâtes à degré Shopper-Riegler élevé (supérieur à 60 degrés). Par ailleurs, les garnitures selon l'invention peuvent en outre être employées pour le défibrage de toute matière cellulosique, telle que les déchets de bois, de plantes dites "annuelles" (bagasse, sorgho, alfa, ...). Essais comparatifs
Le raffinage d'une pâte à papier a été réalisé dans les mêmes conditions, avec
4 disques métalliques selon l'état de la technique et avec 4 garnitures selon l'invention. Les disques selon l'état de la technique étaient des couronnes de 16 pouces de diamètre commercialisées par la société Black-Clawson, constitués de fonte dite "Ni-hard" ayant 10 secteurs, des dessus de lames d'une largeur d'environ 5,5 mm, et des rainures parallèles entre elles à l'intérieur de chaque secteur, inclinées de 20° environ par rapport au rayon, de section transversale rectangulaire, d'environ 5,0 mm de largeur et d'environ 6,0 mm de profondeur. Les garnitures selon l'invention étaient des garnitures préparées par le procédé de dépose par projection plasma, en recouvrant d'une épaisseur uniforme ou à peu près uniforme d'environ 500 (microns) d'alumine/oxyde de titane 97/3 (AI2O3 97%-Tiθ2 3%) toute la face de travail de couronnes identiques à celles décrites précédemment. Le revêtement était constitué d'une superposition de 25 couches minces de 20 μ d'épaisseur chacune. La porosité était du type ouverte et égale à 20% (mesurée selon le test de pénétration par l'alcool). Le raffineur utilisé était le raffineur Twin Midjet commercialisé par la société
Black-Clawson, comportant 4 disques support et travaillant en duo-flow, c'est-à-dire que les 4 disques support sont disposés parallèlement les uns aux autres et une partie (la moitié théoriquement) de la matière brute est raffinée entre 2 disques de raffinage d'un premier jeu et l'autre partie entre 2 disques de raffinage d'un second jeu. L'introduction de la matière brute se faisait au centre des disques de raffinage. La pâte raffinée ressortait par la périphérie des disques.
Le raffineur était équipé d'un moteur d'une puissance de 140 kW. Le débit nominal de circulation de la pâte était de 30 à 40 m^/h, le débit maximal étant de 60 m^/h. La matière brute présentait une concentration de 3% et était constituée de pâte à papier dite chimique de résineux de provenance. Scandinave. La figure 24 représente la courbe de longueur pondérée des fibres et des éléments composant la matière brute. La longueur moyenne des fibres mesurée par un capteur optique était de 2,49 mm. Le pourcentage massique des fibres en fonction de leur longueur est indiqué au dessus de la courbe.
La supériorité des garnitures selon l'invention est évaluée au travers des mesures effectuées sur des formettes de papier préparées à partir de pâte raffinée. Les résultats de ces mesures sont regroupés dans les tableaux A, B, C, et D suivants dans lesquels :
-Ε.T.' désigne les fermettes obtenues à partir de pâte raffinée dans un raffineur muni de 4 disques du commerce,
-'INV. ' désigne les formettes obtenues à partir de pâte raffinée dans un raffineur muni de 4 garnitures selon l'invention.
Les mesures ont été efectuées suivant les normes françaises indiquées dans les tableaux, en atmosphère conditionnée à 65 %HR et à 20°C.
LRQ est la longueur de rupture calculée à partir de la force de rupture à mâchoires jointives alors que LR est la longueur de rupture selon la norme AFNOR Q03004.
La colonne '°SR' indique le degré Schopper-Riegler de la pâte raffinée.
TABLEAU A
Figure imgf000019_0001
TABLEAU B
Figure imgf000020_0001
TABLEAU C
Temps de Id 100 I éclat ement L R Allongement à la raffinage (mN. m2/g) (kPa. m2/g) (r n) rupture
(mn) NFQC 13-011 NFQC 13-053 NFQC 13-004 (%)
E.T. INV. E.T. INV. E.T. INV. E.T. INV.
0 1151 1151 2,59 2,59 3549 3549 3,05 3,05
5 1131 1368 3,51 3,85 4923 5397 3,715 3,3
10 1046 1438 3,97 4,71 5638 6669 3,99 3,69
15 875 1210 4,09 5,43 6202 7662 3,97 3,74
20 830 962 4,33 5,35 6830 7873 4,2 3,79
25 853 5,65 8796 3,72 TABLEAU D
Figure imgf000021_0001
Il apparaît donc d'après les résultats de ces tableaux que l'hydratation et la fibrillation de la pâte s'effectuent sans qu'on observe un phénomène notable de coupe des fibres.
La figure 25 représente la courbe de longueur pondérée des fibres et des éléments composant la pâte après raffinage pendant 20 minutes avec les disques selon l'état de la technique, et avec une puissance utile de 40 kW. La longueur moyenne des fibres était de 1,55 mm.
La figure 26 représente la courbe de longueur pondérée des fibres et des éléments composant la pâte après raffinage pendant 20 minutes avec les garnitures selon l'invention, également avec une puissance de 40 kW. La longueur moyenne des fibres était de 2,66 mm.
La figure 27 représente la courbe de longueur pondérée des fibres et des éléments composant la pâte après raffinage pendant 25 minutes avec les garnitures selon l'invention, avec une puissance de 60 kW. La longueur moyenne des fibres était de 2,18 mm.
Ces courbes montrent clairement que les garnitures selon l'invention permettent d'obtenir une réduction du phénomène de coupe des fibres et une diminution de la production de fines.
Des tests mécaniques effectués de manière comparative sur des formettes de papier fabriquées à partir de pâte raffinée font apparaître que la longueur de rupture et l'indice d'éclatement du papier obtenu avec les garnitures selon l'invention sont en moyenne d'environ 15 à 20% supérieurs à ceux du papier obtenu avec les disques de l'état de la technique. Une supériorité d'environ 30% a même été obtenue lorsque la puissance utile appliquée a été de 60 kW. A cet égard, il convient de noter que lors de la mise en oeuvre de disques selon l'état de la technique, il est impossible d'appliquer une puissance utile aussi élevée dans les conditions spécifiques de fonctionnement de l'installation utilisée pour tester les garnitures selon l'invention.
De façon étonnante, on s'est aperçu également que l'indice de déchirement croît au début du raffinage avec les garnitures selon l'invention alors que en règle générale l'indice de déchirement des formettes décroît dès le début de l'opération de raffinage avec des disques selon l'état de la technique.
D'autres essais menés par la demanderesse sur des installations industrielles, ont permis d'observer lors de l'utilisation des garnitures selon l'invention, une réduction de 10 à 15% de la puissance à vide du raffineur par rapport à la puissance nécessaire avec les garnitures en fonte de l'état de la technique. Par puissance à vide, on entend ici la puissance mécanique et hydraulique utilisée pour faire circuler la pâte à travers le raffineur.
En outre, la demanderesse a constaté avec satisfaction que le raffineur lorsqu'il était muni des garnitures selon l'invention, était beaucoup moins bruyant que lorsqu'il comportait les garnitures en fonte de l'état de la technique.
Bien évidemment, l'invention n'est en aucune façon limitée par les particularités qui viennent d'être précisées ou par les détails des figures et des essais présentés pour l'illustrer. Nombre de modifications peuvent être apportées aux formes des garnitures particulières qui ont été décrites à titre d'illustration et à leurs éléments constitutifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe par conséquent tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leur combinaison.

Claims

REVENDICATIONS
1. Garniture pour raffineur comportant une face de fixation (16) sur le raffineur et une face de travail (17,22), et comprenant au moins une âme (15,28,33,50,51) en un matériau rigide, recouverte par un revêtement (19,20,25) en un matériau résistant à l'usure d'une manière telle qu'au moins la surface active (18) de la garniture soit constituée par tout ou partie de la surface extérieure dudit revêtement (19,20,25), caractérisée en ce que ledit revêtement (19,20,25) est constitué d'une superposition de couches minces ou lamelles (21).
2. Garniture selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'épaisseur desdites couches minces ou lamelles (21) est comprise entre 0,003 et 0,100 mm et de préférence entre 0,005 et 0,025 mm.
3. Garniture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit revêtement (19,20,25) est poreux.
4. Garniture selon la revendication 3, caractérisée en que la porosité dudit revêtement (19,20,25) croît de l'âme (15,28,33,50,51) vers ladite surface active (18).
5. Garniture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite face de travail (17,22) est munie d'au moins une rainure (23,40,46) destinée à faciliter l'écoulement de la pâte à raffiner.
6. Garniture selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite ou lesdites rainures (23,40,46) sont présentes dans ladite âme (15,28,33,50,51).
7. Garniture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit revêtement (19,20,25) recouvre toute ladite face de travail (17,22).
8. Garmture selon l'une quelconque des revendication 5 à 7, caractérisée en ce qu'au moins un obstacle (39,45,55) destiné à perturber le passage de la pâte, est disposé dans au moins une desdites rainures (23,40,46).
9. Garniture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit matériau rigide est choisi dans le groupe constitué par les métaux, les alliages métalliques, la fonte, et les matériaux plastiques.
10. Garniture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit matériau résistant à l'usure est choisi dans le groupe constitué par les métaux purs, les alliages métalliques, les pseudo-alliages, les cermets, les céramiques, les minéraux et leurs mélanges.
11. Garniture selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'épaisseur du revêtement est comprise entre 0, 1 et 2 mm, de préférence entre 0,5 et 0,8 mm.
12. Raffineur à disques ou conique, caractérisé en ce qu'il est muni d'au moins une garniture selon l'une quelconque des revendications 1 à 11.
13. Procédé de préparation d'une garniture selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'on recouvre au moins partiellement une âme (15,28,33,50,51) en un matériau rigide à l'aide d'un revêtement (19,20,25) résistant à l'usure, d'une manière telle qu'au moins la surface active (18) de la garniture soit constituée par tout ou partie de la surface extérieure dudit revêtement (19,20,25).
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le revêtement (19,20,25) est appliqué par un procédé de dépose par projection plasma.
15. Procédé de raffinage de pâte, caractérisé en ce qu'on met en oeuvre, lors du raffinage de la pâte, au moins une garniture selon l'une des revendications 1 à 11.
16. Utilisation d'une garniture selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 pour le raffinage d'une pâte à papier.
17. Utilisation d'une garniture selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 pour le défibrage des matières cellulosiques.
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